Tècnica Schlieren

1. Evolució històrica

Robert Hooke és reconegut com el pare de l’òptica en els medis discontinus. Per això l’evolució històrica comença al segle XVII. Hooke va treballar amb les refraccions de la llum de l’atmosfera degut a variacions de densitat. Aquest camp està perfectament descrit en el seu famós llibre Micrographia. Hooke va fer observacions amb un mètode simple de visualització amb una espelma, una lent i l’ull com a receptor.

Durant el segle XVIII les aportacions són pràcticament nul·les a excepció de Jean Paul Marat. Aquest científic i polític d’origen suís va construir un instrument capaç de veure imatges d’ombres (anomenades shadowgram). Va ser el punt de partida de la dinàmica de fluxos.

En el segle XIX J. B. Leon Foucault va perfeccionar la tècnica mitjançant la introducció d’una ganiveta. Actualment es considera aquest element característic el que diferencia la tècnica Schlieren de la resta d’enfocaments relacionats.

Quasi al mateix temps, l’alemany August Toepler va reinventar la tècnica i no va utilitzar la nomenclatura establerta. La va anomenar Schlieren que en alemany significa estriació. Per això actualment s’utilitza Schlieren com al nom general tot i que en francès, en honor a Foucault, es manté el nom de Strioscopie.

Un dels successors de Toepler va ser Ernst Mach que va poder demostrar fenòmens que resultaven impossibles d’observar per Toepler. Mach va corroborar que les ones sonores produïdes per una espurna són supersòniques. Per aquesta raó la tècnica Schlieren va tenir un paper important en el nou camp d’estudi de les ones de xoc. Va ser aplicat al camp de la balística i treballat a fons per Peter Salcher, company de Mach. Mitjançant la tècnica Schlieren va ser el primer en visualitzar les ones de xoc d’una bala. També va obtenir la primera imatge d’un flux d’aire a reacció. L’experiment va servir com a prototip del conegut túnel de vent, aplicat actualment al vehicles d’alta velocitat. Les variacions irregulars de les ones van ser anomenades per Salcher com a “Lyra” però més tard van prendre el nom de “Mach Disks”.  

2. Conceptes bàsics

Schlieren és el nom que rep l’efecte basat en la desviació de la trajectòria de rajos de llum deguda a variacions de l’índex de refracció d’un medi transparent. L’efecte Schlieren es dóna en sòlids, líquids i gasos i és causat per canvis de temperatura, pressió o velocitat. Malgrat que l’efecte Schlieren apareix de manera espontània en la natura, aquest efecte es veu molt millor al laboratori utilitzant làmpades i lents. El mètode Schlieren requereix la utilització d’una ganiveta per diferenciar-lo dels dissenys de visualització basats en les ombres.

L’instrument Schlieren més simple és el que conté els quatre i imprescindibles elements bàsics: una font de llum puntual, dues lents, una ganiveta i una pantalla on recollir els resultats. Entre aquestes dues lents és on es duu a terme tot el procés d’experimentació anomenada àrea de test. La Figura 10 mostra aquest instrument el màxim de simplificat. 

Figura 10: esquema de les parts essencials de l'instrument Schlieren.

El fonament de la tècnica Schlieren es basa principalment en el pas o la intercepció dels rajos de llum per poder crear un continu joc de llums i ombres que permetin visualitzar el resultat. Quan afegim un objecte d’experimentació a l’àrea de test, aquest causa una pertorbació i és la responsable de desviar els rajos de llum paral·lels a l’eix òptic del sistema. Aquesta desviació fa que en passar per la lent convergent els rajos refractats no es creuin exactament al seu focus i la posició de la ganiveta intercepti alguns d’aquests rajos.

El resultat serà que tots aquells que, en ser desviats i després de passar per la lent, quedin per sobre de l’eix òptic seran interceptats per la ganiveta causant així punts de foscor i ombres en la imatge. Per contra, tots aquells que quedin per sota, causaran punts brillants. La Figura 11 mostra moltes desviacions dels rajos de diferents colors per poder veure l’essència de la tècnica: el joc de les llums i les ombres.  

Figura 11:fonament de la tècnica Schlieren amb les llums i les ombres.